滴灌双向有坡毛管出水规律试验研究

2017-03-22张凯文刘少东

中国农村水利水电 2017年8期

张凯文，刘少东，郭巍

(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319)

我国人均水资源匮乏，而农业用水量在全国水资源消耗中约占70%[1]。国家十三五规划指出：“实行最严格的水资源管理制度，以水定产、以水定城，建设节水型社会”。滴灌是可以提高灌水利用率的节水灌溉技术之一，自引入我国后，在新疆等西部干旱地区得到了广泛应用。滴灌系统的灌水均匀度是衡量滴灌系统灌水质量的重要指标[2]。黑龙江省丘陵漫岗地带占全省土地面积的35.8%，坡度以3°～5°居多[3,4]。坡地条件下，滴灌管内水压力受地面坡度影响，灌水均匀度无法保证。采用压力补偿式滴头可提高灌水均匀度，但成本较高，目前在农业生产中仍广泛采用较常见的内镶贴片式或迷宫式滴灌带。如何进行管线布置及安排毛管顺逆坡长度成为生产实践中存在的问题。文献[5-7]分析了单向有坡情形下，较小坡度(小于1%)范围内坡度变化对滴灌均匀度的影响。在坡地滴灌的实际应用中，支管两侧布置滴灌管的情形十分常见。张国祥[8]指出：双向有坡情况下，微灌支管两侧布置毛管可降低水头要求，节约投资并提高灌水质量。本研究通过试验讨论了0%～3%坡度毛管双向布置情形下毛管出水量及均匀度变化规律，为坡地滴灌双向布管情况下，毛管最优布置方案的确定提供依据，并为丘陵漫岗地带农业生产中合理布置滴灌管道提供参考。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验在黑龙江八一农垦大学水科学与水应用实验大厅进行。选用莱芜市沐源节水设备有限公司生产的内镶贴片式滴灌带，主要技术参数为:滴孔间距为20 cm、滴灌管内径d=16 mm，壁厚0.2 mm。

测试水源为200目过滤器过滤后的自来水。试验装置如图1 所示。该装置主要由水泵、压力调节装置及滴管悬挂装置等组成。加压泵、压力调节装置确保水压稳定。悬挂装置由钢丝与木方连接而成, 滴灌管固定在木方上。通过钢丝改变木方与地面夹角的方式进行坡度调节。试验时在PE管出口与毛管带进口旁通处连接流量调节阀与压力表，通过流量调节阀获得试验所需的工作压力，同时在滴灌带末端连接压力表，读取末端压力。试验所用仪器包括：精密压力表(0.25级)、米尺、量筒(100 mL)、秒表等。

图1 试验装置图Fig.1 Test equipment

图2 平地不同长度毛管均匀度Fig.2 Flat capillary different length uniformity

进水口压力为管道正常工作压力0.1MPa。布置不同的毛管长度进行预试验，分别测取其灌水均匀度，得到均匀度随毛管长度的变化规律，如图2所示。规范[9]规定滴灌灌水均匀度应达到85%，本实验中，毛管长为75m时灌水均匀度约为85%，为便于比较，确定本实验顺坡段毛管长度75m。根据黑龙江省丘陵漫岗地带耕地的实际坡度情况，选择1%、2%、3%三个坡度状态开展滴灌出水量测定试验。针对每个坡度水平，分别设置逆坡段毛管长度为0～70 m，以10 m为级差共计7个水平，共计21个试验组合。

为获得不同参数状态下毛管出水规律，以毛管入水口处为O点分别向顺坡及逆坡方向，每10 m取一个测点(当毛管长度小于10 m时，每5 m取一个测点，增加测点数量)编号如图3所示。试验实施过程中，打开水泵并调节压力至0.1 MPa，待出流量稳定后，同时测取各测点流量。为消除随机误差，每种组合测3次，取其平均值作为最终结果。

图3 测点布置图Fig.3 Layout of measuring points

1.2 灌水均匀度计算公式

滴灌灌水均匀度采用美国克里斯琴森(Christiansen)均匀系数[9]来表示：

(1)

2 试验结果分析

上述试验获得的管道出流数据，按照克里斯琴森公式即可算得管道出水均匀度。

2.1 毛管均匀度变化规律

分别针对3个坡度状态，绘制其灌水均匀度随逆坡长度变化的曲线如图4所示。由图4可以看出，随着逆坡段毛管长度的增加，三者的变化规律是相似的:均匀度随逆坡管长先增大后减小，均匀度曲线均存在峰值。具体来看，逆坡段长度为0时，即毛管完全顺坡布置，其均匀度并非最高，布置一定长度的逆坡管道，毛管均匀度明显提高。逆坡段毛管长度超过某一定值后，均匀度又开始下降。因此，坡地滴灌中，采用双向布管方式更有利于提高灌水均匀度，且逆坡毛管长度存在最优值，在该长度下毛管出水均匀度最高。从3条曲线的比较来看，不同地面坡度下毛管均匀度峰值的位置是不一致的。随着地面坡度的增加，峰值点对应的逆坡毛管长度数值变小。可以得出结论，平缓地面可布置较长逆坡管，陡峭地面则只能布置较短逆坡管。由此可以推断，随着坡度增大，逆坡毛管布置长度可逐步减短，当地面达到特定坡度(本试验证实，该坡度大于3%)时，取逆坡管长度为0 m可获得最佳灌水均匀度，此时毛管宜采用全顺坡布置。

图4 毛管均匀度分布图Fig.4 Capillary distribution uniformity

就本试验而言，当顺坡毛管为75 m时，坡度1%、2%、3%分别采用对应的最佳逆坡长度为50、40、20 m。

2.2 毛管出水量分布规律

在一定坡度范围内，逆坡毛管的存在可以提高毛管灌水均匀度。毛管出流量变化规律可解释该现象的内在机理。以入水口处为0点，绘制1%坡度顺坡段及逆坡段各测点流量变化曲线如图5所示。由图5可以看出，逆坡毛管长度为0 m时(即全顺坡状态)，入水口处出水量最大，顺坡段毛管出水量向远端逐渐减小，由于毛管高度降低，管中水压增大补偿了末端水头损失，使得毛管末端滴头出水量趋于稳定。文献[10]指出当坡度较大时，地形坡度引起的水头高差是影响毛管灌水均匀度的主要因素。在1%坡度时，毛管高度降低未能完全补偿水头损失，具体见后文分析。逆坡毛管长度为20 m时，可以看到入水口处滴孔出水量出现峰值，向两侧出水量开始减小。与全顺坡情形相比，逆坡毛管产生的分流作用，降低了入水口处的水压力，尽管毛管所有滴孔出水量均有下降，但出水口处出水量峰值下降较为明显，顺坡远端出水量下降较少。逆坡毛管长度为40 m时，毛管出水规律与此类似，只是毛管各滴头出水量下降幅度略大。可见，逆坡毛管的设置较大幅度地降低了入水口附近滴头的出水量，顺坡远端滴头出水量略减，这一“削峰”作用，提高了毛管出水均匀度。2%坡度、3%坡度各测点流量曲线(图6，图7所示)也体现了该变化规律。

图5 1%坡度毛管出水量分布图Fig.5 1% capillary water distribution map of slope

图6 2%坡度毛管出水量分布图Fig.6 2% capillary water distribution map of slope

图7 3%坡度毛管出水量分布图Fig.7 3% capillary water distribution map of slope

2.3 顺坡段毛管出水量变化规律

通过比较图5、图6及图7中的顺坡段毛管出流量曲线可以看到，图5所示1%坡度条件下，毛管上各测点出水量规律为：入水口处滴孔出现出水量峰值，顺坡方向滴孔出水量逐渐减小。图6所示2%坡度条件下，入水口处滴孔出水量最大，向顺坡方向滴孔出水量逐渐减小，到毛管末端滴孔出水量开始增加。在图7所示地面坡度3%情形下，毛管末端出水量增加更加明显。以逆坡毛管长20 m为例，不同坡度下的出水量曲线如图8所示。在图8中可以看到，逆坡毛管长度相同时，毛管末段滴孔出水量随坡度增大而增加，出水量最小滴孔出现在坡中部而非坡底。事实上，这一规律在逆坡毛管长度0 m及逆坡毛管长度为30 m情形下同样存在。在滴灌系统中，滴孔出水量与水压力正相关，水压力大则毛管出水量大，反之亦然。因此，上述现象可用能量方程进行分析：

水头损失计算公式：

图8 不同坡度毛管出水量曲线Fig.8 Different gradient capillary water curve

(2)

式中：Z1、Z2为1、2断面的位置水头，m；P1/γ、P2/γ为1、2断面的位置水头，m；α1v21/(2g)、α2v22/(2g)为1、2断面的位置水头，m；hw1-2为1、2断面的位置水头，m；hf为沿程水头损失；λ为沿程阻力系数；l为管长，m；d为管径，m；hm为局部水头损失；ξ为局部阻力系数；v为水流速度，m3/s。

在无坡状态下，随着水流流动距离的增加，水头损失开始增大，毛管内水压力相应减小，由此导致毛管末端滴孔出流量小于入水口处滴孔出流量。在顺坡布管且入水口水压力恒定条件下，毛管滴孔高程降低会增加其水压力，可对水头损失进行补偿。在坡度较小的情况下，这种补偿作用小于水头损失值，此时毛管远端滴孔水压力始终小于其相邻上坡段滴孔水压力，毛管出流量表现为从入水口处向顺坡远端递减变化。当地面坡度较大时，该补偿作用将大于水头损失值，这就会使得毛管远端滴水孔水压力大于其相邻上坡段水压力，由此出现毛管远端出流量大于相邻上坡段滴孔出流量的情况。由于高程降低的补偿作用与坡度密切相关，恒定坡度下，补偿水头随高程降低线性增加。而毛管内水流水头损失受流态、流速及流量变化影响，表现为非线性变化。水头损失与v2呈正比，如公式(2)所示，在入水口附近水流速度较快，水头损失较大；在毛管末端水流速度较慢，水头损失较小。高程降低形成的补偿作用，会首先在水头损失小的区域(即毛管末端)引起滴孔出流量增加。地形坡度越大，出流量增加的滴孔越靠近入水口。